Obbiettivi del Progetto “Lauree Scientifiche”:
• orientare alla scelta del corso di laurea
• promuovere la fisica (della materia)
• rafforzare i contatti e la collaborazione con i docenti della scuola secondaria,
Percorsi didattici:




Sviluppati in collaborazione con alcuni insegnanti delle Scuole Medie Superiori
Coinvolgono direttamente gli studenti in esperimenti riguardanti le proprietà micro- e
nanoscopiche della materia ed i meccanismi di base dell’interazione fra quest’ultima, la
radiazione luminosa e gli elettroni.
Spiegano e illustrano:
 basi fisiche del fenomeno
 principi di funzionamento di alcuni degli strumenti e tecniche di indagine più utilizzati nella
attuale ricerca scientifica in fisica della materia
Modalita`:
 Diversi percorsi per diverse classi (biennio/triennio - tecnici/licei)
 percorso fruito dall’intera classe
 Stage (2-4 studenti)
Effetto fotoelettrico e misura della costante di Planck
Obbiettivi e concetti importanti:
• Interazione fra luce e materia
• Fotone e quantizzazione dell’energia (costante di Planck)
• Livelli energetici (bande nei solidi)
• Esempio di raccolta ed analisi dati (uso di grafici cartesiani,
interpolazione dati, determinazione di cost. di proporzionalità)
in un esperimento ‘sofisticato’
• Introduzione a tecniche di indagine dei materiali: spettroscopia di
fotoemissione
Prerequisiti/concetti ribaditi:



energia cinetica, potenziale, totale; grafici dell’energia
circuiti elettrici elementari: corrente, potenziale e loro misura
cenni alla natura ondulatoria della luce (frequenza e colore) e alle
proprieta` elettroniche dei solidi (funzione lavoro)
Introduzione all’effetto fotoelettrico

Osservazione sperimentale (Hertz – Lennard primi del ‘900):
Illuminando una superficie metallica, essa emette elettroni, che
possono essere misurati sotto forma di corrente.

Nel solido, gli elettroni sono legati ai nuclei atomici
per ‘liberarli’
devo fornire loro energia. La luce fornisce l’energia necessaria:
STUDIO DELL’INTERAZIONE FRA RADIAZIONE E MATERIA
DOMANDE:
• Quanto vale l’energia fornita dalla luce al singolo elettrone e da che cosa
dipende?
• Possiamo usare questo fenomeno per studiare le proprieta` degli elettroni nei
solidi?
Schema dell’apparato sperimentale
prisma
Lampada a vapori di Hg
attenuatore
Misura della Energia cinetica massima degli
elettroni fotoemessi dal catodo in funzione della
frequenza e intensita` della luce :

Fra catodo e anodo si applica una differenza di potenziale ΔV:
Misura della corrente fotoemessa al variare di ΔV

Potenziale di arresto: valore di ΔV per il quale la corrente si annulla

Correnti misurate sono ~ nA: occorre uno strumento sofisticato.
E
Fotoemissione, energia cinetica massima e potenziale di arresto
eΔV
Kmax
eΔV
Etot
W
ΔV <0
ΔV <0
- eΔV
ΔV >0
Kmax = E(luce) – W
-10
3.5x10
3.0
Corrente di saturazione vs intensita luminosa
-10
3.5x10
2.5
Intensità di Corrente a Potenziale Stabile (A)
Intensità di Corrente (A)
L’energia ceduta agli elettroni dipende dall’intensita’ luminosa?
2.0
1.5
1.0
3.0
2.5
2.0
1.5
1.0
0.5
0.5
1
2
3
4
5
Spessore del Filtro (mm)
0.0
0
5
10
15
Potenziale (V)
20
25
No, il potenziale di arresto non dipende dall’intensita’ luminosa
6
7
8
L’energia ceduta agli elettroni dipende dalla frequenza?
Intensità di Corrente (nA)
Ek=h
0
2
4
6
8
10
12
Potenziale (V)
Si, e’ direttamente proporzionale alla frequenza
h=6.6x10-34 J s
Ek=h-W
Dai fondamenti alla ricerca:
Spettroscopia di fotoemissione
• Negli atomi gli elettroni hanno energie di legame
diverse
• Gli elettroni piu' fortemente legati si trovano su
livelli energetici discreti, la cui energia e` tipica di
ciascun elemento: impronta digitale
Se illuminiamo un campione con
luce di energia opportuna (raggi X),
possiamo fotoemettere anche gli elettroni
piu' legati.
SPETTRO di FOTOEMISSIONE: numero di
elettroni emessi in funzione della loro energia